重慶住宅壁掛式空調供暖期間的通風方式研究

石國兵 余曉平* 吳曉林 黃雪

重慶科技學院建筑工程學院

0 引言

夏熱冬冷地區住宅供暖方式已成為討論熱點。2013 年付祥釗等人指出“夏熱冬冷地區建筑冬季不供暖，室內熱環境有損人體健康”，從人體生理角度提出了夏熱冬冷地區冬季供暖的必要性[1]。重慶作為我國經濟高速發展的重要區域，近年來隨著人們日益增長的美好生活需要，居民對居住環境的熱舒適需求也在不斷提高。重慶主城區住宅冬季供暖比例已達70%[2]，壁掛式空調以其“部分時間、部分空間”的供暖運行特點成為主要供暖方式，幾乎每戶的主要房間均有安裝，且每日供暖時長3 h 以上已達79%[3]。然而相關數據顯示，空調的供暖費用并不低，壁掛式空調初期投入費用約 100 元/m2，冬季運行單位面積能耗約 14.65 kWh/m2，按重慶地區 0.57 元/kWh，即 8.35 元/m2，這筆費用對于普通家庭已算是較大的一筆開支[4-6]。

壁掛式空調供暖的高使用率產生運行高能耗，但對于改善冬季室內熱環境的效果并不理想。據筆者調研的結果分析，重慶地區僅 30%人群認為家用壁掛式空調供暖效果良好，而 70%人群認為一般或較差。尤其是40 歲以上人群認為，空調運行帶來的空氣干燥、新風不足等問題都已非常突出[2]，導致用戶開著門窗開空調的現象非常普遍。當打開門窗進行換氣時，室內外的大溫差又會造成空調能耗的急劇增長，同時也影響室內人員的熱舒適。因此，需要探索一種壁掛式空調冬季供暖與房間通風的協同運行方式。

1 重慶冬季住宅供暖需求

1.1 重慶冬季供暖期溫度特點

冬季的劃分有多種方法，氣候學認為平均氣溫連續5d 低于10 ℃算作冬季開始。節氣法按立冬為冬季開始；天文法則認為冬至為冬季開始。農歷法認為農歷10 月至12 月為冬季。陽歷法認為陽歷的12 月至次年2 月為冬季?？紤]到重慶地區典型氣象年逐時氣象數據為1970-2000 的數據，而城市氣候逐年變化，年平均溫度有上升趨勢，暖冬現象逐年增加，筆者采用重慶地區近五年的月平均氣溫進行統計分析，結果如表1 所示。

表1 重慶地區近五年月平均氣溫

由表 1 可知，筆者將平均氣溫最低的三個月作為冬季劃分的指標，重慶地區 12 月至次年2 月為平均氣溫最低的三個月，可作為冬季時間。其中一月為歷年平均氣溫最低月，近五年的月平均氣溫為8.6 ℃。

1.2 重慶住宅冬季需供暖時長

付祥釗等人在保證住宅室內溫度不低于衛生學中最低溫度12 ℃的基礎上，根據不同地區的冬季日照率和圍護結構的一般熱工性能標準，確定了長江流域主要城市供暖期起算溫度，其中南京、上海、杭州、合肥≤7 ℃，武漢、南昌≤8 ℃，成都、長沙≤9 ℃，重慶≤10 ℃[7]。為此，筆者以氣溫≤10 ℃作為供暖需求溫度，結合重慶沙坪壩區氣象站近五年冬季（12 月 1 日-次年2 月28 日）的逐時氣象參數，對重慶沙坪壩區冬季需供暖時長進行了統計分析，結果如圖1 所示。

圖1 重慶近五年冬季需供暖時長

近五年重慶冬季 12 月至次年 2 月平均需供暖時長依次為 528 h、613 h、440 h，分別占當月總時長的70.9%、82.4%、65.4%，冬季需供暖時長約占冬季總時長的 73%，該結果與東華大學鐘珂等人的夏熱冬冷地區非供暖居住建筑冬季室內環境約 80%的時間達不到人體的健康要求的最低溫度 12 ℃的實測結果基本吻合[8]。

筆者記錄了重慶沙坪壩區大學城某住宅 2018 年1 月 5 日-6 日非供暖條件下的室內外平均溫度和相對濕度，見表2。

表2 重慶冬季某住宅非供暖條件下的室內外溫度和相對濕度

由表2 可知，冬季非供暖房間門窗開啟時，室內外溫、濕度基本相同，門窗關閉時室內溫度比室外略高。然而即使是門窗關閉情況下，非供暖房間內的溫度也僅為 10 ℃左右，室內外溫差不到 2 ℃，仍然未達不到衛生學要求的最低溫度標準。

2 壁掛式空調冬季供暖效果實測

2.1 實測方法

為研究重慶地區冬季壁掛式空調的供暖實際運行效果，筆者進行了現場實測。選擇該地區月平均氣溫最低和需供暖時長最多的1 月作為測試時間，測試對象為一戶位于重慶市沙坪壩區大學城的普通居民住宅，測試樓層為 4 樓，戶型如圖2 所示。圖2 中方框區域為所選取的測試房間，房間尺寸為 3.2 m×3 m×3 m，窗戶面向南方，空調安裝于桌面上方，安裝高度為 2.6 m。根據《民用建筑室內熱濕環境評價標準》（GB/T 50785-2012）中的測試規范要求，在房間桌面上方距地面1.1 m 高度位置（人體坐立頭部區域）布置測試探頭[9]。選擇 Y-BOAT 多功能室內環境測試無線傳輸系統為測試工具，對室內外溫度、濕度、CO2濃度情況進行了測試，每 1 分鐘記錄一組數據。實驗期間，空調供暖設定溫度為20 ℃，送風風向為水平向下45°，出風口風速測得為 1 m/s，人員保持靜坐狀態，同時關閉門窗，維持室內無其他熱源和濕源。

圖2 測試戶型及所測試房間布置圖

2.2 實測結果分析

實測結果如下：

1）由初始溫度10.6 ℃達到《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB/T 50736-2012）中人員長期逗留區域空調室內設計參數18 ℃（供熱工況，Ⅱ級熱舒適等級溫度），用時 84 min，溫度變化速率為 0.088 ℃/min，明顯低于筆者此前所作夏季制冷測試的溫度變化速率0.187 ℃/min。這是因為壁掛式空調安裝高度普遍為房間頂部區域，在冬季供暖時，熱空氣在浮升力作用下上升，與房間底部冷空氣對流換熱緩慢，導致了室內人員明顯感覺頭熱腳冷。這與何鳴等人的冬季壁掛式空調供暖工況下房間溫度明顯分層的實測分析結果一致[10-11]。

2）測試房間處于封閉狀態且有人員活動時，房間內CO2濃度會迅速上升。CO2濃度達到《室內空氣質量標準》（GB/T 18883-2002）中的規定值1000 pm 用時45 min，CO2變化率為9.25 ppm/min，此時溫度僅 15.6 ℃，尚未達到熱環境質量要求。而當房間溫度達到 18 ℃時，CO2濃度已達1336.3 ppm，已不能滿足衛生條件。房間溫度和 CO2濃度越高，“悶”的感覺越強烈，因此冬季空調供暖期間，人們往往會開啟外窗進行通風換氣，這不僅造成空調能耗增加，還將影響室內人員熱舒適。

為解決住宅壁掛式空調供暖運行期間的通風問題，筆者在對比幾種不同的房間通風方式基礎上，提出一種供暖與通風的協同運行方案，在門窗關閉的情況下，通過合理設置通風口，采用窗上部機械送風+門下部自然排風的無管道復合通風方式，保障房間的熱舒適和空氣品質實現。為驗證這一措施的有效性，筆者對開窗和房間無管道復合通風這兩種方式進行方案了數值模擬研究。

3 壁掛式空調供暖與通風數值模擬

3.1 物理模型

根據該住宅房間的實際設施設備布置情況，房間尺寸為3.2 m×3 m×3 m，室內有 1 個日光燈，一個坐立人員，一張桌子，一臺壁掛式空調。根據居民冬季空調使用習慣設定開啟1/3 的窗戶，或設定窗上部機械送風+門下部自然排風，在不影響計算的前提下，簡化后的物理模型如圖3 所示。

圖3 空調供暖房間不同通風方式三維物理模型

3.2 模型模擬求解設置

本模型采用 Airpak 3.0 軟件，室內空氣不可壓縮且密度符合Bossinesq 假設，房間內空氣流動為穩態湍流，冬季室外環境溫度根據實測結果取8 ℃，室內熱源主要考慮人員和燈具散熱。PMV-PPD 計算按照人員靜坐狀態，人體新陳代謝率取 58 W/m（21.0 met），冬季服裝取 0.16 m2·K/W（1.0 clo），不計人體對外做功[12]。相應數值模擬計算邊界條件見表3。

表3 數值模擬物理模型邊界條件

3.3 模擬結果分析

由圖 4～5 可以看出，開窗通風導致室外冷空氣由窗戶下部進入室內后，直接沉降至房間底部，僅少量新鮮空氣到達人體呼吸區域，且造成人體工作區域的桌面溫度僅17 ℃，人體腳部表面溫度僅20 ℃，明顯低于身體其他部位表面溫度。而采用復合通風后，由窗戶上部進入房間的冷空氣先與空調所送暖風混合換熱，再落入人體活動區域，利于人體呼吸新鮮空氣的同時，桌面溫度提高至 20 ℃，人體的體表溫度也更加均勻。更重要的是采用復合通風方式的排風溫度達到20 ℃，可為其戶內他房間提供一定的熱量，減少了空調能耗排向室外的浪費。

圖4 送風口垂直面的溫度場、氣體流場

由圖 6～8 可以看出，開窗通風情況下，人體腳部環境溫度僅15 ℃，頭部環境溫度為23 ℃，頭足溫差最大達到8 ℃，桌面下方腿部活動區域 PMV 均低于-1，最大達到-2.5，PPD 最大達到75%以上。采用復合通風后，腳部環境溫度提高至 21 ℃，頭足溫差控制在 2 ℃以內，人體活動區域 PMV 均位于 0～1 之間，PPD 保持在12.5%以下。壁掛式空調冬季供暖時開窗通風與復合通風的結果對比，見表4。

圖5 房間內各物體表面溫度

圖6 空調送風口垂直面Z=2.2 m 處的溫度場

圖7 空調送風口垂直面Z=2.2 m 處的PMV

圖8 空調送風口垂直面Z=2.2 m 處的PPD

表4 壁掛式空調冬季供暖時開窗通風或復合通風的結果對比

因此冬季壁掛式空調供暖時，采用窗戶上部機械送風+門下部自然排風的復合通風方式能夠改善開窗通風所導致的房間溫度分層現象，同時提高人體熱舒適，證明了這一措施的有效性。

4 結論

通過對重慶住宅空調冬季供暖效果的實測和模擬分析，得出以下結論：

1）重慶12 月至次年2 月為月平均溫度最低的三個月，以室外氣溫≤10 ℃為供暖需求溫度，重慶地區冬季供暖時長達冬季總時長的 73.0%，其中以 1 月為最高，達當月總時長的82.4%。

2）壁掛式空調冬季供暖溫度變化速率為 0.088 ℃/min，低于夏季制冷溫度變化速率的0.187 ℃/min，還需要加強空調供暖導致的房間溫度動態變化對人體熱舒適的影響研究。

3）通過合理設置通風口，壁掛式空調冬季供暖時采用窗戶上部機械送風加內門下部自然排風的復合通風協同方式，可避免開窗通風帶來的房間溫度分層和能源浪費問題?？砷_發一種兼顧空氣交換和阻隔噪聲的多功能窗式通風器，滿足該地區冬季供暖熱舒適與通風需求的同時，避免室外噪聲影響。

4）房間空間大小，空調安裝位置和空調送風風向、風速，以及通風送排風口的位置、風量等因素對壁掛式空調的供暖效果均有影響，在運行過程中，可采用空調與通風聯動控制，以期最大限度提高人體熱舒適的同時節約空調能耗。

5）單個房間作為住宅的單元空間，其空調與通風運行方式要考慮對其他房間的影響，通過加強對單個房間乃至整戶空間各區域氣流組織的合理控制，實現通風優先前提下的空調低能耗運行，滿足用戶個性化的使用需求。